김영진 wrote:
>다른 사이트를 찾아보아도 차동 제한장치에 관한 정보는 없더군요
>좋은 정보 있으신 분은 좀 가르쳐 주시면 감사하겠습니다.
>관리자님 잘부탁해여^^
님이 찾고 있는게 이건지는 잘모르겠지만 한번 봐보세여
미끄러운 길 헤쳐가게 해주는 요긴한 장비
LSD와 TCS 바로알기
차동기어는 커브길에서 안쪽과 바깥쪽 타이어에 회전차를 주어 자동차가 원활하게 회전할 수 있게 해준다. 그러나 미끄러운 길에서 한쪽 타이어가 공회전하면 반대쪽 타이어도 구동력을 잃게 하는 문제가 있다. LSD는 강제적으로 차동기어의 역할을 차단해 험로에서 차가 구동력을 잃지 않게 해주는 장치다. 1985년 볼보가 처음 상용화한 TCS는 엔진의 출력과 브레이크를 조절해 과도한 액셀 페달 조작으로 타이어가 구동력을 잃고 스핀하는 것을 막아주는 장비다
글·박영웅 기자(heropark@carlife.net)
차에 대해 관심이 있는 사람이라면 미끄러운 길에서 구동력을 살려주는 LSD와 TCS에 대해 들어보았을 것이다. 카매니아가 아니어도 새차 살 때의 기억을 더듬어보면 카탈로그에 소개된 여러 가지 옵션 가운데 LSD나 TCS가 포함되었던 것을 생각해낼 수 있을 것이다.
LSD와 TCS는 일반인에서 잘 알려진 장비지만 이것들이 어떤 구조로 어떤 작용을 하는지를 정확하게 이해하는 사람은 드물다. LSD와 TCS의 구조를 이해하기 쉽게 설명하고 두 장비의 문제점과 운전자가 주의해야 할 사항을 살펴본다. 꼼꼼히 읽어두면 돈을 들여 선택한 첨단장비의 성능을 100% 활용하는 데 도움이 될 것이다.
LSD(Limitied Slip Differential)란 무엇인가
우리말로 차동제한장치라고 불리는 LSD를 구조를 살피려면 먼저 차동기어(differential gear)에 대한 이해가 필요하다. 차동기어는 차가 회전할 때나 요철이 있는 도로를 달릴 때 왼쪽과 오른쪽 바퀴에 회전차가 생기게 해주는 장치로 정의할 수 있다.
이해하기 쉽게 400m 이어달리기 경기가 벌어지는 육상트랙을 예로 들면 안쪽과 바깥쪽 라인에서 달리는 선수들의 출발점이 비스듬하게 그어져 있는데 이것은 선수들이 모두 똑같은 거리를 뛸 수 있게 하기 위해서다.
육상트랙의 바깥쪽 코스가 안쪽보다 더 긴 것처럼 차가 코너를 돌 때도 바깥쪽 타이어가 안쪽보다 더 많은 거리를 구른다.
차동기어가 없다면 왼쪽과 오른쪽 타이어가 구르는 거리차 때문에 구동축이 부러지거나 타이어가 끌리며 진행하게 된다. 카트의 경우 한 개의 축에 뒷타이어가 연결되어 있지만 스티어링 휠을 돌리면 코너 안쪽 뒷타이어가 들리기 때문에 차동기어 없이 코너를 돌아나가는 데 아무런 문제가 없다.
가장 기본적인 차동기어의 구조는 <그림1>과 같다. 뒷바퀴굴림 방식에 쓰이는 타입으로 변속기에서 이어진 추진축의 회전은 링기어를 통해 양쪽 뒷타이어로 전해진다. 직진할 때는 왼쪽과 오른쪽 액슬 샤프트가 1개의 축처럼 동시에 회전한다. 그 이유는 양쪽 액슬 샤프트에 같은 양의 부하가 걸리기 때문에 맞물려 있는 피니언 기어가 회전할 여력이 없기 때문이다.
차동기어가 별다른 역할을 하지 않는 직선로와 달리 차가 커브길에 들어서면 차동기어는 바쁘게 움직인다. 먼저 링 기어에 추진축이 연결되어 있지 않다는 가정 아래 차동기어의 왼쪽 액슬 샤프트를 회전시켜 보자. 차동기어 내에 맞물려 있는 2개의 피니언 기어 덕택에 오른쪽 액슬 샤프트가 반대로 회전하게 되는 것을 알 수 있다. 다시 말해 차동기어 안에 있는 왼쪽 액슬과 반대인 오른쪽은 서로 역방향으로 회전하려는 성질을 지녔다.
링기어를 통해 차동기어에 추진력이 전달되는 상태에서도 왼쪽과 오른쪽 액슬은 마찬가지 움직임을 보인다. 양쪽이 같은 회전수로 돌아가는 직선로에서는 차동기어가 작동하지 않지만 커브길에 들어서 바깥쪽 바퀴가 많이 회전하면 안쪽 바퀴는 피니언 기어를 통한 저항 때문에 회전이 억제된다.
따라서 타이어의 끌림 없이 코너를 돌 수 있다. 참고로 차동기어의 상관관계를 공식으로 표현하면 링기어 회전수×2 = 오른쪽 액슬 회전수 + 왼쪽 액슬 회전수다.
이처럼 꼭 필요한 차동기어지만 한쪽 타이어만 미끄러운 노면에 걸친 채 달리게 되면 문제를 일으킨다. 차동기어는 구조상 한쪽 바퀴가 더 회전하는 만큼 반대쪽 바퀴는 같은 양의 저항이 걸려 회전이 줄어드는데, 한쪽 타이어가 헛바퀴를 돌면 차가 코너를 돌고 있다고 착각하고 접지력이 살아있는 반대쪽 타이어의 회전을 억제시킨다. 다시 말해 헛바퀴 도는 쪽을 코너 바깥쪽 타이어로, 반대쪽은 코너 안쪽 타이어로 잘못 생각하는 것이다.
LSD는 차동기어의 이런 구조적인 문제점을 보완해주는 장치로 한쪽 바퀴가 헛돌더라도 나머지 다른 바퀴를 굴려 차가 움직일 수 있게 해주는 장치다.
예전에는 군용차나 트럭 등 험로를 많이 다니는 차에 주로 쓰였지만 최근에는 고성능 경주차에도 널리 쓰인다. 그 이유는 경주차가 고속 코너링을 하면 원심력에 의해 차체가 미끄러지며 안쪽 바퀴가 위로 들리는데, 접지력이 없어진 안쪽 타이어가 헛바퀴를 돌면 차동기어 때문에 바깥쪽 타이어의 구동력이 줄어드는 현상이 생기기 때문이다.
미끄러운 직선로뿐만 아니라 급한 코너에서 차의 구동력을 살려주는 LSD는 말 그대로 차동기어의 역할을 제한하는 장치다.
<그림2>와 같은 기계식 LSD는 양쪽 액슬의 회전수가 틀려지며 차동기어가 움직이기 시작하면 액슬기어 안쪽에 물려있는 클러치 판(마찰재)이 각각의 액슬에 저항을 주어 차동기어가 작동하지 않게 한다. 차동기어가 움직이지 못하면 자연스레 양쪽 타이어는 같은 회전수로 함께 구를 수 있다.
기계식 LSD 외에도 비스커스 커플링식 LSD와 토르센 LSD가 있다. 풀타임 4WD 자동차에 많이 쓰이는 비스커스 커플링식 LSD는 고점도 오일의 점성저항을 이용해 차동제한력을 얻는다. 토르센 LSD는 2개씩 짝을 이룬 스퍼기어와 6개의 웜휠기어가 차동기어의 작동을 제어하는데 응답성이 뛰어나 드래그 머신 같은 고성능 경주차에 쓰인다.
LSD의 한계와 주의할 점
왼쪽과 오른쪽 바퀴에 균일한 구동력을 살려주는 LSD라도 양쪽 바퀴가 동시에 미끄러질 경우 무용지물이 되어 버린다. 또 양산차에 쓰이는 기계식 LSD의 경우 구조상 추진력의 25∼45%로 차동기어제한력이 설정되기 때문에 강력한 구동력을 원하는 오너에게는 성에 차지 않는다. 험로 주행을 즐기는 일부 4WD 자동차 오너들이 잭키로 LSD가 달린 SUV의 뒤쪽 한바 퀴를 들어올리고 LSD의 구동력을 살피는 동영상을 인터넷에 올린 적이 있다. 그들은 차가 전진하지 못하는 것을 보고 LSD 무용론을 주장하지만 그것은 평범한 노멀 LSD를 가지고 극단적인 실험을 했기 때문이지 결코 LSD가 효과가 없는 것은 아니다. 고성능 LSD의 경우 추진축의 구동력을 100% 살리는 제품도 있는데 테스트카에 그런 LSD를 달았다면 별 문제 없이 앞으로 전진했을 것이다.
아무튼 국내 오프로드 매니아들은 LSD는 큰 효과가 없다고 여기고 차동기어를 아예 잠그는 락커를 많이 달고 있다. SUV로 캠핑용 트레일러나 보트를 끌고 다니는 것이 보편화된 미국의 경우 여러 가지 락커가 시판되고 있다. 차에서 내릴 필요 없이 차 안에서 차동기어를 잠그는 전자식이나 압축공기를 이용한 락커도 있다.
반면 미쓰비시 랜서, 스바루 임프레사 같은 고성능 AWD 자동차가 많이 보급된 일본에서는 다양한 고성능 LSD가 인기를 얻고 있다. AWD 시스템에는 앞뒤 차축 차동기어에 각각 1개의 LSD가 들어있고 앞과 뒤쪽의 구동 비율을 조절하는 센터 디퍼렌셜에도 1개가 들어있어 모두 3개의 LSD가 달려 있다. 앞뒤 차축 차동기어에 들어있는 LSD의 역할은 위에 설명한 것과 같다. 센터 디퍼렌셜에 들어있는 LSD는 평상시 구동력을 앞 30%, 뒤 70%로 고정시키다가 급코너를 돌거나 급출발을 하게 되면 앞 50%, 뒤 50%로 구동력을 공급한다.
따라서 AWD차로 드리프트 주행을 즐기는 일본 오너들은 양산차에 달려 나오는 LSD가 성에 차지 않아 구동력 손실이 적은 고성능 LSD로 튜닝하는 경우가 많다. 고성능 LSD는 제동할 때와 코너진입 초기에 LSD가 작동하면 차가 균형을 잃거나 차의 앞머리가 코너 안쪽으로 쏠리지 않아 위험하기 때문에 운전자가 액셀 페달을 밟지 않으면 LSD가 작동하지 않게 설계되었지만, 센터 디퍼렌셜에 고성능 LSD를 달면 코너링 때 차체가 휘말리지 않고 치고 나가는 힘이 좋아지는 것은 분명하다.
일반 오너들은 평범한 LSD로도 충분하므로 무턱대고 고성능 LSD를 달 필요는 없다. 오히려 고성능 LSD를 달면 공회전 정지상태에서 `깔락깔락`하는 마찰음이 나기 때문에 귀에 거슬리고, 4개의 타이어 상태를 늘 똑같이 맞춰줘야 하는 번거로움이 따른다. 만약 펑크라도 나면 기존 타이어와 마모도가 틀린 스페어타이어는 구동력이 적게 걸리는 앞쪽에만 써야 하므로 뒷타이어 1개가 펑크나도 4개의 타이어를 모두 떼어내 위치를 뒤바꿔야 하는 불편이 있는 것이다.
TCS(Trcaction Control System)란 무엇인가
주행중 타이어가 미끄러지는 현상은 매우 위험하다. 운전자가 차를 조정할 수 있는 능력을 상실하기 때문이다. TCS는 급제동할 때 타이어가 잠기는 것을 막는 ABS(Anti lock Break System)와 반대로 차가 주행할 때 타이어가 미끄러지는 것을 방지하는 장치다.
구체적으로 출발할 때 너무 깊게 액셀 페달을 밟으면 구동바퀴가 슬립하는 경우가 생기는 데, TCS는 이런 현상을 억제하는 장치로 1985년 볼보가 처음 실용화했다. 당시 볼보는 760 터보 모델에 TCS를 달아 완전히 빙판으로 뒤덮인 도로를 시속 160km로 달리는 장면을 연출해 큰 화제를 모으기도 했다.
볼보가 개발한 초창기 TCS는 연료분사량을 조절하고 터보차저의 작동시기를 변화시키는 등 엔진 출력을 조절하는 방식이었다. 과도한 구동력으로 타이어가 미끄러지면 즉시 엔진 출력을 줄여 타이어의 그립력을 되찾게 해주는 볼보의 TCS에 이어 BMW 역시 흡기밸브와 점화시기를 조절하는 타입의 TCS를 내놓았다.
이처럼 초창기 TCS는 엔진의 힘을 줄여 차가 주행중에 접지력을 잃지 않게 하는 방식이 인기를 끌었지만 엔진 및 노면 상태에 따라 TCS가 작동하는 대응력이 떨어지는 문제가 드러나 브레이크를 제어하는 방식과 이를 혼용한 방식이 대안으로 등장했다. 게다가 ABS가 보편화되면서 ABS에 몇 가지 장치만 추가하면 되는 TCS도 함께 보급되기 시작했다. 실제로 각 메이커의 새차 옵션을 보면 ABS와 TCS를 한데 묶은 경우가 많다.
엔진과 브레이크를 동시에 제어하는, 가장 효율적인 TCS는 크게 컨트롤 유니트, 드로틀센서, 휠 스피드센서, 드로틀 액추에이터, 브레이크 액추에이터 등으로 구성되어 있다. 여기서 휠 스피드센서와 브레이크 액추에이터 등은 ABS와 함께 쓰는 공용부품이다.
휠 스피드센서는 4채널 방식의 경우 네 바퀴 모두에 달리는데 차의 속도와 슬립 유무를 측정해 컨트롤 유니트로 보낸다. 드로틀 센서는 드라이버의 액셀 페달 조작량을 재고 이를 휠 스피드센서와 마찬가지로 컨트롤 유니트로 보내는 역할을 한다.
2가지 센서에서 보내주는 신호를 통해 컨트롤 유니트는 속도, 노면상태, 드라이버의 페달 조작에 따라 차가 그립을 잃지 않도록 액추에이터를 조작한다. 액추에이터는 각각 엔진의 출력을 억제하는 드로틀 밸브 제어부와 구동바퀴에 브레이크를 걸어 타이어의 속도를 줄이는 브레이크 제어부가 있다.
드로틀 액추에이터는 드로틀에 흐르는 공기량을 제어한다. 액셀 페달과 연결된 메인밸브는 드라이버에 의해 조작되기 때문에 TCS 제어를 위한 서브밸브를 따로 둔다. 서브 드로틀 밸브는 스텝 모터로 움직이는데 평상시에는 완전히 열린 상태로 있다가 타이어에 스핀이 일어나 트랙션 제어가 시작되면 움직이기 시작한다. TCS 컨트롤 유니트가 차의 슬립 정도를 판단, 서브 드로틀 밸브를 닫아 엔진에 들어가는 공기량을 줄여 엔진 출력을 낮춘다.
브레이크 액추에이터는 엔진의 힘을 조절해 구동바퀴의 트랙션을 유지하는 드로틀 액추에이터와 달리 4바퀴를 모두 제어할 수 있다. 휠 스피드센서를 통해 타이어의 슬립 유무를 검지하고 휠 실린더와 마스터 실린더의 압력을 차단한다. 또 솔레노이드 장치를 이용해 브레이크 유압을 증압, 유지, 감압의 3 모드로 제어할 수 있다. TCS에서 브레이크로 타이어의 슬립을 방지하는 부분은 ABS와 거의 비슷한 구조다.
국내 메이커의 차에 보급된 TCS는 대부분 브레이크만 제어해 주행중 타이어의 슬립을 막는 방식이다. 엔진출력과 브레이크를 동시에 제어하는 TCS는 일부 대형차와 수입차에만 달려있다.
TCS의 구조적인 단점
TCS가 타이어의 슬립을 막기 위해서는 차의 주행상태를 비교할 수 있는 샘플이 필요하다. 데이터와 비교해 엔진 드로틀 상태에 비해 타이어가 과도하게 회전하면 엔진의 출력을 줄이고 브레이크를 걸어 타이어의 회전을 강제로 늦추기 때문이다. 따라서 TCS가 제 역할을 하기 위해서는 컨트롤 유니트가 비교하는 기본 주행데이터의 정확도가 높아야 한다. 각 메이커는 실차실험과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 주행데이터를 얻지만 여러 가지 변수를 모두 만족시킬 수는 없다. 특히 고급 운전기술을 지닌 드라이버가 차를 드리프트 시킬 때 TCS 컨트롤러는 차가 접지력을 잃고 스핀하고 있다고 생각하고 차의 속도를 줄인다. TCS 작동 시점을 늦추면 웬만한 드리프트 주행에서 작동하지 않겠지만 모든 드라이버의 운전기술이 드리프트를 구사할 정도로 뛰어난 것은 아니기 때문에 차가 미끄러지면 TCS는 드라이버의 의지와 상관없이 작동한다.
대부분의 TCS는 정상주행 데이터보다 타이어가 15∼20% 정도 더 회전하기 시작하면 작동하도록 세팅되지만 이 기준이 모든 운전자에게 만족감을 주지는 못한다. 신형 포르쉐 911이 출시되었을 때 대부분의 칼럼니스트들은 새로 추가된 TCS 때문에 포르쉐만의 코너링 맛이 사라졌다고 불평할 정도로 TCS 작동시점에 대한 논란이 많다.
TCS가 드라이버의 능력을 판단해 능숙한 운전자가 타면 최대한 개입을 자제하고 그렇지 못한 경우에는 바로 작동하면 두말할 것 없이 좋겠지만 아직 그 정도 기능을 갖춘 TCS는 없다. 다만 TCS 작동을 막는 차단 스위치를 마련해 TCS의 간섭 없이 운전재미를 만끽하고 싶은 드라이버를 배려했다.
또 아직 대부분의 TCS는 횡방향으로 타이어가 미끄러지는 것은 감지하지 못한다. 물론 횡방향 미끄러짐을 제어하는 TCS가 달린 차도 있는데 대표적으로 혼다 NSX를 꼽을 수 있다. NSX 개발팀은 극한까지 차를 몰아붙이려는 드라이버를 위해 TCS가 차가 드리프트하는 것인지 스핀하는 것인지를 판단해 운전재미를 살려줄 수 있도록 횡방향 미끄러짐을 제어하는 TCS를 개발했다.
기본적인 아이디어는 간단해 보이지만 횡방향의 그립은 마른 노면, 젖은 노면, 얼음 위 등 다양한 노면조건에 따라 슬립을 허용하는 폭이 달라지기 때문에 쉽게 측정할 수 있는 것은 아니다. 마른 노면이라면 차가 좀 크게 미끄러져도 고속으로 코너를 빠져나오는 데 유리한 면이 있고, 젖은 노면이나 빙판에서는 차가 미끄러지면 차체의 방향을 다시 잡는 것은 어렵기 때문에 미리 TCS가 차의 미끄러짐을 차단해야 한다.
횡방향 그립을 제어하려면 이런 노면상황의 차이를 감지해야 한다. NSX 개발팀은 타이어의 그립력이 높아지고 있는지 낮아지고 있는지를 횡가속도를 이용해 측정했다. 횡가속도는 회전중인 왼쪽과 오른쪽 바퀴의 회전수 차이로 차가 옆으로 움직이는 양을 재고 거기에 차의 속도를 곱해 구했다. NSX의 경우 1초에 200번이나 횡가속도를 측정한다. 횡가속도가 줄어들면 차가 슬라이딩을 하다 그립을 회복하고 있는 것이므로 TCS가 작동하지 않아도 되며, 횡가속도가 크면 차가 그립을 잃고 스핀하는 것이므로 TCS로 차의 자세를 바로잡는다. 한편 TCS는 그것을 사용하는 사람의 무지로 무용지물이 될 수도 있다. TCS는 어디까지나 데이터에 의해 움직이는 장비이므로 OEM 사이즈보다 직경이 큰 타이어를 쓰면 시스템이 오류를 일으켜 제 구실을 못한다.
또 미끄러운 눈길에서 차를 움직이는 데 큰 도움을 주는 것은 사실이지만 그것은 스노 타이어를 달고 있을 때의 이야기다. 여름용 타이어로 눈길에서 출발하려고 하면 제아무리 최신 TCS라도 타이어의 그립력을 만들어주지 못한다. 빙판으로 된 언덕길에서 여름용 타이어를 끼운 벤츠나 BMW 같은 고급 수입차가 오도가도 못하고 서 있는 장면을 한 번쯤은 보았을 것이다. TCS는 ABS와 달리 작동을 차단하는 오프 스위치가 달려있다. 드라이버 자신과 궁합이 맞지 않는다면 굳이 쓸 필요가 없다는 암시일 수도 있다. 그러나 최고의 운전기술을 지닌 F1 드라이버도 머신에 TCS를 허용한 올 시즌에 지난해보다 탁월하게 빠른 기록을 내고 있음을 보면 매우 유용한 장비임에는 틀림없다
>다른 사이트를 찾아보아도 차동 제한장치에 관한 정보는 없더군요
>좋은 정보 있으신 분은 좀 가르쳐 주시면 감사하겠습니다.
>관리자님 잘부탁해여^^
님이 찾고 있는게 이건지는 잘모르겠지만 한번 봐보세여
미끄러운 길 헤쳐가게 해주는 요긴한 장비
LSD와 TCS 바로알기
차동기어는 커브길에서 안쪽과 바깥쪽 타이어에 회전차를 주어 자동차가 원활하게 회전할 수 있게 해준다. 그러나 미끄러운 길에서 한쪽 타이어가 공회전하면 반대쪽 타이어도 구동력을 잃게 하는 문제가 있다. LSD는 강제적으로 차동기어의 역할을 차단해 험로에서 차가 구동력을 잃지 않게 해주는 장치다. 1985년 볼보가 처음 상용화한 TCS는 엔진의 출력과 브레이크를 조절해 과도한 액셀 페달 조작으로 타이어가 구동력을 잃고 스핀하는 것을 막아주는 장비다
글·박영웅 기자(heropark@carlife.net)
차에 대해 관심이 있는 사람이라면 미끄러운 길에서 구동력을 살려주는 LSD와 TCS에 대해 들어보았을 것이다. 카매니아가 아니어도 새차 살 때의 기억을 더듬어보면 카탈로그에 소개된 여러 가지 옵션 가운데 LSD나 TCS가 포함되었던 것을 생각해낼 수 있을 것이다.
LSD와 TCS는 일반인에서 잘 알려진 장비지만 이것들이 어떤 구조로 어떤 작용을 하는지를 정확하게 이해하는 사람은 드물다. LSD와 TCS의 구조를 이해하기 쉽게 설명하고 두 장비의 문제점과 운전자가 주의해야 할 사항을 살펴본다. 꼼꼼히 읽어두면 돈을 들여 선택한 첨단장비의 성능을 100% 활용하는 데 도움이 될 것이다.
LSD(Limitied Slip Differential)란 무엇인가
우리말로 차동제한장치라고 불리는 LSD를 구조를 살피려면 먼저 차동기어(differential gear)에 대한 이해가 필요하다. 차동기어는 차가 회전할 때나 요철이 있는 도로를 달릴 때 왼쪽과 오른쪽 바퀴에 회전차가 생기게 해주는 장치로 정의할 수 있다.
이해하기 쉽게 400m 이어달리기 경기가 벌어지는 육상트랙을 예로 들면 안쪽과 바깥쪽 라인에서 달리는 선수들의 출발점이 비스듬하게 그어져 있는데 이것은 선수들이 모두 똑같은 거리를 뛸 수 있게 하기 위해서다.
육상트랙의 바깥쪽 코스가 안쪽보다 더 긴 것처럼 차가 코너를 돌 때도 바깥쪽 타이어가 안쪽보다 더 많은 거리를 구른다.
차동기어가 없다면 왼쪽과 오른쪽 타이어가 구르는 거리차 때문에 구동축이 부러지거나 타이어가 끌리며 진행하게 된다. 카트의 경우 한 개의 축에 뒷타이어가 연결되어 있지만 스티어링 휠을 돌리면 코너 안쪽 뒷타이어가 들리기 때문에 차동기어 없이 코너를 돌아나가는 데 아무런 문제가 없다.
가장 기본적인 차동기어의 구조는 <그림1>과 같다. 뒷바퀴굴림 방식에 쓰이는 타입으로 변속기에서 이어진 추진축의 회전은 링기어를 통해 양쪽 뒷타이어로 전해진다. 직진할 때는 왼쪽과 오른쪽 액슬 샤프트가 1개의 축처럼 동시에 회전한다. 그 이유는 양쪽 액슬 샤프트에 같은 양의 부하가 걸리기 때문에 맞물려 있는 피니언 기어가 회전할 여력이 없기 때문이다.
차동기어가 별다른 역할을 하지 않는 직선로와 달리 차가 커브길에 들어서면 차동기어는 바쁘게 움직인다. 먼저 링 기어에 추진축이 연결되어 있지 않다는 가정 아래 차동기어의 왼쪽 액슬 샤프트를 회전시켜 보자. 차동기어 내에 맞물려 있는 2개의 피니언 기어 덕택에 오른쪽 액슬 샤프트가 반대로 회전하게 되는 것을 알 수 있다. 다시 말해 차동기어 안에 있는 왼쪽 액슬과 반대인 오른쪽은 서로 역방향으로 회전하려는 성질을 지녔다.
링기어를 통해 차동기어에 추진력이 전달되는 상태에서도 왼쪽과 오른쪽 액슬은 마찬가지 움직임을 보인다. 양쪽이 같은 회전수로 돌아가는 직선로에서는 차동기어가 작동하지 않지만 커브길에 들어서 바깥쪽 바퀴가 많이 회전하면 안쪽 바퀴는 피니언 기어를 통한 저항 때문에 회전이 억제된다.
따라서 타이어의 끌림 없이 코너를 돌 수 있다. 참고로 차동기어의 상관관계를 공식으로 표현하면 링기어 회전수×2 = 오른쪽 액슬 회전수 + 왼쪽 액슬 회전수다.
이처럼 꼭 필요한 차동기어지만 한쪽 타이어만 미끄러운 노면에 걸친 채 달리게 되면 문제를 일으킨다. 차동기어는 구조상 한쪽 바퀴가 더 회전하는 만큼 반대쪽 바퀴는 같은 양의 저항이 걸려 회전이 줄어드는데, 한쪽 타이어가 헛바퀴를 돌면 차가 코너를 돌고 있다고 착각하고 접지력이 살아있는 반대쪽 타이어의 회전을 억제시킨다. 다시 말해 헛바퀴 도는 쪽을 코너 바깥쪽 타이어로, 반대쪽은 코너 안쪽 타이어로 잘못 생각하는 것이다.
LSD는 차동기어의 이런 구조적인 문제점을 보완해주는 장치로 한쪽 바퀴가 헛돌더라도 나머지 다른 바퀴를 굴려 차가 움직일 수 있게 해주는 장치다.
예전에는 군용차나 트럭 등 험로를 많이 다니는 차에 주로 쓰였지만 최근에는 고성능 경주차에도 널리 쓰인다. 그 이유는 경주차가 고속 코너링을 하면 원심력에 의해 차체가 미끄러지며 안쪽 바퀴가 위로 들리는데, 접지력이 없어진 안쪽 타이어가 헛바퀴를 돌면 차동기어 때문에 바깥쪽 타이어의 구동력이 줄어드는 현상이 생기기 때문이다.
미끄러운 직선로뿐만 아니라 급한 코너에서 차의 구동력을 살려주는 LSD는 말 그대로 차동기어의 역할을 제한하는 장치다.
<그림2>와 같은 기계식 LSD는 양쪽 액슬의 회전수가 틀려지며 차동기어가 움직이기 시작하면 액슬기어 안쪽에 물려있는 클러치 판(마찰재)이 각각의 액슬에 저항을 주어 차동기어가 작동하지 않게 한다. 차동기어가 움직이지 못하면 자연스레 양쪽 타이어는 같은 회전수로 함께 구를 수 있다.
기계식 LSD 외에도 비스커스 커플링식 LSD와 토르센 LSD가 있다. 풀타임 4WD 자동차에 많이 쓰이는 비스커스 커플링식 LSD는 고점도 오일의 점성저항을 이용해 차동제한력을 얻는다. 토르센 LSD는 2개씩 짝을 이룬 스퍼기어와 6개의 웜휠기어가 차동기어의 작동을 제어하는데 응답성이 뛰어나 드래그 머신 같은 고성능 경주차에 쓰인다.
LSD의 한계와 주의할 점
왼쪽과 오른쪽 바퀴에 균일한 구동력을 살려주는 LSD라도 양쪽 바퀴가 동시에 미끄러질 경우 무용지물이 되어 버린다. 또 양산차에 쓰이는 기계식 LSD의 경우 구조상 추진력의 25∼45%로 차동기어제한력이 설정되기 때문에 강력한 구동력을 원하는 오너에게는 성에 차지 않는다. 험로 주행을 즐기는 일부 4WD 자동차 오너들이 잭키로 LSD가 달린 SUV의 뒤쪽 한바 퀴를 들어올리고 LSD의 구동력을 살피는 동영상을 인터넷에 올린 적이 있다. 그들은 차가 전진하지 못하는 것을 보고 LSD 무용론을 주장하지만 그것은 평범한 노멀 LSD를 가지고 극단적인 실험을 했기 때문이지 결코 LSD가 효과가 없는 것은 아니다. 고성능 LSD의 경우 추진축의 구동력을 100% 살리는 제품도 있는데 테스트카에 그런 LSD를 달았다면 별 문제 없이 앞으로 전진했을 것이다.
아무튼 국내 오프로드 매니아들은 LSD는 큰 효과가 없다고 여기고 차동기어를 아예 잠그는 락커를 많이 달고 있다. SUV로 캠핑용 트레일러나 보트를 끌고 다니는 것이 보편화된 미국의 경우 여러 가지 락커가 시판되고 있다. 차에서 내릴 필요 없이 차 안에서 차동기어를 잠그는 전자식이나 압축공기를 이용한 락커도 있다.
반면 미쓰비시 랜서, 스바루 임프레사 같은 고성능 AWD 자동차가 많이 보급된 일본에서는 다양한 고성능 LSD가 인기를 얻고 있다. AWD 시스템에는 앞뒤 차축 차동기어에 각각 1개의 LSD가 들어있고 앞과 뒤쪽의 구동 비율을 조절하는 센터 디퍼렌셜에도 1개가 들어있어 모두 3개의 LSD가 달려 있다. 앞뒤 차축 차동기어에 들어있는 LSD의 역할은 위에 설명한 것과 같다. 센터 디퍼렌셜에 들어있는 LSD는 평상시 구동력을 앞 30%, 뒤 70%로 고정시키다가 급코너를 돌거나 급출발을 하게 되면 앞 50%, 뒤 50%로 구동력을 공급한다.
따라서 AWD차로 드리프트 주행을 즐기는 일본 오너들은 양산차에 달려 나오는 LSD가 성에 차지 않아 구동력 손실이 적은 고성능 LSD로 튜닝하는 경우가 많다. 고성능 LSD는 제동할 때와 코너진입 초기에 LSD가 작동하면 차가 균형을 잃거나 차의 앞머리가 코너 안쪽으로 쏠리지 않아 위험하기 때문에 운전자가 액셀 페달을 밟지 않으면 LSD가 작동하지 않게 설계되었지만, 센터 디퍼렌셜에 고성능 LSD를 달면 코너링 때 차체가 휘말리지 않고 치고 나가는 힘이 좋아지는 것은 분명하다.
일반 오너들은 평범한 LSD로도 충분하므로 무턱대고 고성능 LSD를 달 필요는 없다. 오히려 고성능 LSD를 달면 공회전 정지상태에서 `깔락깔락`하는 마찰음이 나기 때문에 귀에 거슬리고, 4개의 타이어 상태를 늘 똑같이 맞춰줘야 하는 번거로움이 따른다. 만약 펑크라도 나면 기존 타이어와 마모도가 틀린 스페어타이어는 구동력이 적게 걸리는 앞쪽에만 써야 하므로 뒷타이어 1개가 펑크나도 4개의 타이어를 모두 떼어내 위치를 뒤바꿔야 하는 불편이 있는 것이다.
TCS(Trcaction Control System)란 무엇인가
주행중 타이어가 미끄러지는 현상은 매우 위험하다. 운전자가 차를 조정할 수 있는 능력을 상실하기 때문이다. TCS는 급제동할 때 타이어가 잠기는 것을 막는 ABS(Anti lock Break System)와 반대로 차가 주행할 때 타이어가 미끄러지는 것을 방지하는 장치다.
구체적으로 출발할 때 너무 깊게 액셀 페달을 밟으면 구동바퀴가 슬립하는 경우가 생기는 데, TCS는 이런 현상을 억제하는 장치로 1985년 볼보가 처음 실용화했다. 당시 볼보는 760 터보 모델에 TCS를 달아 완전히 빙판으로 뒤덮인 도로를 시속 160km로 달리는 장면을 연출해 큰 화제를 모으기도 했다.
볼보가 개발한 초창기 TCS는 연료분사량을 조절하고 터보차저의 작동시기를 변화시키는 등 엔진 출력을 조절하는 방식이었다. 과도한 구동력으로 타이어가 미끄러지면 즉시 엔진 출력을 줄여 타이어의 그립력을 되찾게 해주는 볼보의 TCS에 이어 BMW 역시 흡기밸브와 점화시기를 조절하는 타입의 TCS를 내놓았다.
이처럼 초창기 TCS는 엔진의 힘을 줄여 차가 주행중에 접지력을 잃지 않게 하는 방식이 인기를 끌었지만 엔진 및 노면 상태에 따라 TCS가 작동하는 대응력이 떨어지는 문제가 드러나 브레이크를 제어하는 방식과 이를 혼용한 방식이 대안으로 등장했다. 게다가 ABS가 보편화되면서 ABS에 몇 가지 장치만 추가하면 되는 TCS도 함께 보급되기 시작했다. 실제로 각 메이커의 새차 옵션을 보면 ABS와 TCS를 한데 묶은 경우가 많다.
엔진과 브레이크를 동시에 제어하는, 가장 효율적인 TCS는 크게 컨트롤 유니트, 드로틀센서, 휠 스피드센서, 드로틀 액추에이터, 브레이크 액추에이터 등으로 구성되어 있다. 여기서 휠 스피드센서와 브레이크 액추에이터 등은 ABS와 함께 쓰는 공용부품이다.
휠 스피드센서는 4채널 방식의 경우 네 바퀴 모두에 달리는데 차의 속도와 슬립 유무를 측정해 컨트롤 유니트로 보낸다. 드로틀 센서는 드라이버의 액셀 페달 조작량을 재고 이를 휠 스피드센서와 마찬가지로 컨트롤 유니트로 보내는 역할을 한다.
2가지 센서에서 보내주는 신호를 통해 컨트롤 유니트는 속도, 노면상태, 드라이버의 페달 조작에 따라 차가 그립을 잃지 않도록 액추에이터를 조작한다. 액추에이터는 각각 엔진의 출력을 억제하는 드로틀 밸브 제어부와 구동바퀴에 브레이크를 걸어 타이어의 속도를 줄이는 브레이크 제어부가 있다.
드로틀 액추에이터는 드로틀에 흐르는 공기량을 제어한다. 액셀 페달과 연결된 메인밸브는 드라이버에 의해 조작되기 때문에 TCS 제어를 위한 서브밸브를 따로 둔다. 서브 드로틀 밸브는 스텝 모터로 움직이는데 평상시에는 완전히 열린 상태로 있다가 타이어에 스핀이 일어나 트랙션 제어가 시작되면 움직이기 시작한다. TCS 컨트롤 유니트가 차의 슬립 정도를 판단, 서브 드로틀 밸브를 닫아 엔진에 들어가는 공기량을 줄여 엔진 출력을 낮춘다.
브레이크 액추에이터는 엔진의 힘을 조절해 구동바퀴의 트랙션을 유지하는 드로틀 액추에이터와 달리 4바퀴를 모두 제어할 수 있다. 휠 스피드센서를 통해 타이어의 슬립 유무를 검지하고 휠 실린더와 마스터 실린더의 압력을 차단한다. 또 솔레노이드 장치를 이용해 브레이크 유압을 증압, 유지, 감압의 3 모드로 제어할 수 있다. TCS에서 브레이크로 타이어의 슬립을 방지하는 부분은 ABS와 거의 비슷한 구조다.
국내 메이커의 차에 보급된 TCS는 대부분 브레이크만 제어해 주행중 타이어의 슬립을 막는 방식이다. 엔진출력과 브레이크를 동시에 제어하는 TCS는 일부 대형차와 수입차에만 달려있다.
TCS의 구조적인 단점
TCS가 타이어의 슬립을 막기 위해서는 차의 주행상태를 비교할 수 있는 샘플이 필요하다. 데이터와 비교해 엔진 드로틀 상태에 비해 타이어가 과도하게 회전하면 엔진의 출력을 줄이고 브레이크를 걸어 타이어의 회전을 강제로 늦추기 때문이다. 따라서 TCS가 제 역할을 하기 위해서는 컨트롤 유니트가 비교하는 기본 주행데이터의 정확도가 높아야 한다. 각 메이커는 실차실험과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 주행데이터를 얻지만 여러 가지 변수를 모두 만족시킬 수는 없다. 특히 고급 운전기술을 지닌 드라이버가 차를 드리프트 시킬 때 TCS 컨트롤러는 차가 접지력을 잃고 스핀하고 있다고 생각하고 차의 속도를 줄인다. TCS 작동 시점을 늦추면 웬만한 드리프트 주행에서 작동하지 않겠지만 모든 드라이버의 운전기술이 드리프트를 구사할 정도로 뛰어난 것은 아니기 때문에 차가 미끄러지면 TCS는 드라이버의 의지와 상관없이 작동한다.
대부분의 TCS는 정상주행 데이터보다 타이어가 15∼20% 정도 더 회전하기 시작하면 작동하도록 세팅되지만 이 기준이 모든 운전자에게 만족감을 주지는 못한다. 신형 포르쉐 911이 출시되었을 때 대부분의 칼럼니스트들은 새로 추가된 TCS 때문에 포르쉐만의 코너링 맛이 사라졌다고 불평할 정도로 TCS 작동시점에 대한 논란이 많다.
TCS가 드라이버의 능력을 판단해 능숙한 운전자가 타면 최대한 개입을 자제하고 그렇지 못한 경우에는 바로 작동하면 두말할 것 없이 좋겠지만 아직 그 정도 기능을 갖춘 TCS는 없다. 다만 TCS 작동을 막는 차단 스위치를 마련해 TCS의 간섭 없이 운전재미를 만끽하고 싶은 드라이버를 배려했다.
또 아직 대부분의 TCS는 횡방향으로 타이어가 미끄러지는 것은 감지하지 못한다. 물론 횡방향 미끄러짐을 제어하는 TCS가 달린 차도 있는데 대표적으로 혼다 NSX를 꼽을 수 있다. NSX 개발팀은 극한까지 차를 몰아붙이려는 드라이버를 위해 TCS가 차가 드리프트하는 것인지 스핀하는 것인지를 판단해 운전재미를 살려줄 수 있도록 횡방향 미끄러짐을 제어하는 TCS를 개발했다.
기본적인 아이디어는 간단해 보이지만 횡방향의 그립은 마른 노면, 젖은 노면, 얼음 위 등 다양한 노면조건에 따라 슬립을 허용하는 폭이 달라지기 때문에 쉽게 측정할 수 있는 것은 아니다. 마른 노면이라면 차가 좀 크게 미끄러져도 고속으로 코너를 빠져나오는 데 유리한 면이 있고, 젖은 노면이나 빙판에서는 차가 미끄러지면 차체의 방향을 다시 잡는 것은 어렵기 때문에 미리 TCS가 차의 미끄러짐을 차단해야 한다.
횡방향 그립을 제어하려면 이런 노면상황의 차이를 감지해야 한다. NSX 개발팀은 타이어의 그립력이 높아지고 있는지 낮아지고 있는지를 횡가속도를 이용해 측정했다. 횡가속도는 회전중인 왼쪽과 오른쪽 바퀴의 회전수 차이로 차가 옆으로 움직이는 양을 재고 거기에 차의 속도를 곱해 구했다. NSX의 경우 1초에 200번이나 횡가속도를 측정한다. 횡가속도가 줄어들면 차가 슬라이딩을 하다 그립을 회복하고 있는 것이므로 TCS가 작동하지 않아도 되며, 횡가속도가 크면 차가 그립을 잃고 스핀하는 것이므로 TCS로 차의 자세를 바로잡는다. 한편 TCS는 그것을 사용하는 사람의 무지로 무용지물이 될 수도 있다. TCS는 어디까지나 데이터에 의해 움직이는 장비이므로 OEM 사이즈보다 직경이 큰 타이어를 쓰면 시스템이 오류를 일으켜 제 구실을 못한다.
또 미끄러운 눈길에서 차를 움직이는 데 큰 도움을 주는 것은 사실이지만 그것은 스노 타이어를 달고 있을 때의 이야기다. 여름용 타이어로 눈길에서 출발하려고 하면 제아무리 최신 TCS라도 타이어의 그립력을 만들어주지 못한다. 빙판으로 된 언덕길에서 여름용 타이어를 끼운 벤츠나 BMW 같은 고급 수입차가 오도가도 못하고 서 있는 장면을 한 번쯤은 보았을 것이다. TCS는 ABS와 달리 작동을 차단하는 오프 스위치가 달려있다. 드라이버 자신과 궁합이 맞지 않는다면 굳이 쓸 필요가 없다는 암시일 수도 있다. 그러나 최고의 운전기술을 지닌 F1 드라이버도 머신에 TCS를 허용한 올 시즌에 지난해보다 탁월하게 빠른 기록을 내고 있음을 보면 매우 유용한 장비임에는 틀림없다
